1-2. ОБЫКНОВЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Прежде чем переходить к более детальному рассмотрению классификации систем автоматического управления, целесообразно пояснить понятия управления и регулирования.

Любое действие, вносящее желаемое изменение в процесс, подлежащий управлению, и основанное на использовании начальной или рабочей информации, называется управлением.

Объект, в котором протекает управляемый процесс, носит название управляемого объекта.

Течение и состояние управляемого процесса в общем случае могут характеризоваться весьма сложной совокупностью показателей, часть которых может и не иметь количественной меры. В более простых случаях состояние управляемого процесса в достаточной мере характеризуется значениями одной или нескольких физических величин — координат.

Регулирование является частным случаем управления, при котором желаемое течение процесса обеспечивается путем стабилизации одной или нескольких физических величин — координат относительно заданных их значений (постоянных или переменных).

Согласно указанному классификационному принципу обыкновенными или несамонастраивающимися системами автоматического управления называются системы, требующие для построения и

функционирования наибольшей (полной) начальной информации.

Другим определением обыкновенных систем может служить следующее определение: обьгкновенными системами являются системы, не обладающие способностью приспособления к изменяющимся условиям и изменяющимся свойствам управляемого процесса.

Легко понять, что между этими двумя определениями имеется тесная связь. Действительно, если система не обладает способностью приспособления к изменяющимся условиям, а стало быть, и способностью реагировать на изменение этих условий, то, для обеспечения заданной точности управления указанная система требует более полной начальной информации, чем система, обладающая способностью автоматического определения изменения условий и приспособления к ним.

Класс обыкновенных систем автоматического управления наиболее широко освоен и внедрен. Несмотря на то, что развитие техники все в большей мере позволяет создавать и применять более совершенные самонастраивающиеся системы; обыкновенные системы и в дальнейшем, по-видимому, сохранят огромное значение. Изменение условий и свойств управляемого процесса в ряде применений протекает настолько медленно, что автоматическая настройка, свойственная самонастраивающимся системам, не везде необходима.

По виду рабочей информации обыкновенные системы автоматического управления делятся на два широких (подкласса (рис. 1-1):

1) замкнутые системы автоматического регулирования, использующие принцип отклонений;

2) разомкнутые системы автоматического управления.

Еще один подкласс обыкновенных систем, носящий название комбинированных систем, сочетает оба принципа управления, свойственные указанным двум группам. Этот вид систем, как и другие виды комбинированных систем, не указан в классификации рис. 1-1.

а) Замкнутые системы автоматического регулирования

В замкнутых системах автоматического регулирования, использующих принцип отклонений, рабочей информацией служат отклонения координат регулируемого процесса от заданных значений. Состояние регулируемого процесса, а стало быть, и регулируемого объекта, в котором протекает данный процесс, характеризуется одной или несколькими координатами.

Координаты, отклонения которых от заданных значений воспринимаются датчиками рабочей информации (измерительными устройствами), называются регулируемыми величинами.

Системы с одной регулируемой величиной часто именуются одномерными системами регулирования. Системы с несколькими регулируемыми величинами именуются многомерными (двухмерными, трехмерными т. д.) системами регулирования.

Заданные значения регулируемы величин иначе называются управляющими или задающими воздействиями.

Помимо задающих воздействий, на системы автоматического регулирования, как и на системы управления вообще, обычно действуют разнообразные возмущающие факторы, отклоняющие процесс от заданного его течения. Эти факторы носят название возмущающих воздействий.

По виду рабочей информации в той ее части, которая определяется характером воздействий, замкнутые системы автоматического регулирования подразделяются на три группы:

1) стабилизирующие системы автоматического регулирования;

2) системы программного регулирования;

3) следящие системы.

В стабилизирующих системах автоматического регулирования заданные значения регулируемых величин постоянны. В системах программного регулирования заданные значения регулируемых величин изменяются во времени по строго

Рис. 1-2. Схема регулирования напряжения генератора.

определенной программе. В следящих системах заданные значения регулируемых величин могут изменяться в некоторых пределах произвольным, заранее неизвестным образом.

Для пояснения принципов действия указанной группы обыкновенных систем автоматического регулирования обратимся к их простейшим аналогам из области неавтоматического управления.

Пусть имеется некоторый 1 генератор (рис. 1-2), напряжение которого контролируется вольтметром V и регулируется реостатом Р. Если оператор-человек, замечая отклонение напряжения на вольтметре, поворачивает ручку реостата в соответствии с некоторой инструкцией на определенный для данного отклонения угол, то система генератор — вольтметр — оператор — реостат — генератор является аналогом системы регулирования по принципу отклонений.

Рабочей информацией здесь служат отклонения напряжения от заданного значения. Система является обыкновенной, так как задание заранее определенного соответствия отклонений реостата и отклонений напряжения требует информации о свойствах регулируемого объекта — генератора. При наличии неполной информации о свойствах объекта выбранное соответствие отклонений может оказаться непригодным, так как не обеспечит устойчивости или требуемогр качества регулирования.

Если заданное значение напряжения, обозначаемое, например, специальным индексом на шкале вольтметра, постоянно, то мы имеем аналог стабилизирующей системы регулирования по отклонениям. Если указанный индекс (перемещать каким-либо часовым механизмом по заданной программе во времени, то получим аналог системы программного регулирования. Если индекс перемещать по произвольному, заранее неизвестному закону во времени, то получим аналог следящей системы.

В системе автоматического регулирования действия человека-оператора заменяются действиями автоматического регулятора. Автоматический регулятор преобразует рабочую информацию об отклонении регулируемой величины в перемещение регулирующего органа или иное регулирующее воздействие.

Если в регуляторе отсутствует усиление сигналов управления по мощности, то он называется регулятором прямого действия. В регуляторе прямого действия непосредственно соединяется измерительное устройство с регулирующим органом.

В рассмотренном примере регулятор прямого действия можно получить, соединив движок миниатюрного регулирующего органа — реостата непосредственно с осью рамки вольтметра.

Естественно, что влияние возмущающих воздействий в виде, трения и других факторов в этом случае велико.

Если в автоматическом регуляторе сигнал усиливается по мощности, то мы имеем регулятор непрямого действия. Простейший автоматический регулятор непрямого действия, работающий по принципу отклонений, помимо измерительного устройства, содержит усилитель и исполнительное устройство, связанное с регулирующим органом (рис. 1-3). Кроме того, имеется устройство для ввода задающего воздействия.

Рис. 1-3. Схема системы автоматического регулирования, работающей по принципу отклонений.

Следует иметь в виду, что даже из перечисленного простейшего состава основных элементов непрямого регулятора (измерительное устройство, усилитель, исполнительное устройство, задатчик управляющего воздействия) некоторые элементы могут быть конструктивно объединены с другими или отсутствовать. Так, в рассмотренном примере автоматического непрямого регулирования напряжения генератора нет необходимости использовать специальный измеритель напряжения — вольтметр и исполнительное устройство. Достаточно напряжение генератора сравнить с напряжением некоторого эталона — источника задающего воздействия и разность напряжений подать на усилитель, к выходу которого подключена специальная обмотка возбуждения (рис. 1-4).

Основной характерной чертой замкнутых систем автоматического регулирования является наличие по крайней мере одного замкнутого контура прохождения сигналов, замкнутого контура передачи рабочей информации. Этот контур именуется замкнутым контуром регулирования или управления.

В схеме, представленной на рис. 1-3, такой замкнутый контур представляет соединение: измерительное устройство — усилитель — исполнительное устройство — регулирующий орган — регулируемый объект — измерительное устройство.

Системы с замкнутым контуром управления называются также системами с обратной связью.

Системы автоматического регулирования, содержащие один замкнутый контур регулирования, называются одноконтурными. Как одномерные, так и многомерные системы регулирования могут содержать несколько замкнутых контуров регулирования. Системы с несколькими замкнутыми контурами регулирования называются многоконтурными.

При рассмотрении контуров управления необходимо отметить направленность прохождения сигналов в этих контурах. Большинство элементов систем автоматического управления в той или иной мере обладает свойством направленного действия. Это свойство заключается в том, что сигнал на входе элемента определяет сигнал на выходе этого элемента, однако сигнал на выходе практически не влияет на входной сигнал. Так, например, напряжение на входе отдельно взятого электронного усилителя без обратнс связи определяет (с точность до шумов) напряжение на выходе этого усилителя, однако напряжение на выходе практические не влияет на входное напряжение. Точно так же перемещение движка реостата определяет значение тока в цепи реостата, в то время как изменяемая другим способом величина тока в реостате не оказывает никакого влияния на положение движка. Элементы, обла-. дающие свойством односторонней передачи сигнала управления, носят название элементов однонаправленного действия. Наличие элементов однонаправленного действия в контуре управления обусловливает однонаправленность прохожт дения сигналов в этом контуре. Эта направленность прохождения сигналов на схемах систем управления

Рис. 1-4. Схема автоматического регулирования напряжения генератора.

Рис. 1-5. Схема системы автоматического регулирования с последовательным и параллельным корректирующими устройствами.

обозначается стрелками (рис. 1-3).

Указанный на рис. 1-3 состав элементов простейшего автоматического регулятора непрямого действия не всегда достаточен. Для обеспечения требуемой устойчивости и точности регулирования вводятся дополнительные преобразователи сигналов — корректирующие или стабилизирующие устройства. Если корректирующее устройство включено последовательно в основной (внешний) замкнутый контур регулирования, то оно называется последовательным корректирующим устройством. Если корректирующее устройство включено в цепь дополнительной обратной связи, то оно именуется параллельным корректирующим устройством.

Система с параллельным корректирующим устройством по меньшей мере двухконтурная, так как, помимо основного, она содержит контур дополнительной обратной связи. Соединение элементов в системе автоматического регулирования с последовательным и параллельным корректирующим устройством представлено на рис. 1-5.

Итак, основными элементами обыкновенной замкнутой системы автоматического регулирования являются: измерительное устройство, корректирующее устройство, усилитель сигналов управления, исполнительное устройство и регулируемый объект.

б) Разомкнутые системы автоматического управления

Второй класс обыкновенных систем образуют разомкнутые системы автоматического управления (рис. 1-1), Рабочей информацией в этих системах служат управляющие или возмущающие воздействия.

Разомкнутые системы автоматического управления в рассматриваемой классификации подразделяются на две группы: системы кампенсации и разомкнутые системы программного управления.

Системы компенсации предназначены для уменьшения влияния возмущающих воздействий на регулируемый процесс или объект путем измерения самих этих воздействий и компенсации их влияния за счет обратного искусственного воздействия на процесс. Рабочей информацией в этих системах служат возмущающие воздействия, влияние которых подлежит компенсаций.

Для пояснения принципа работы систем компенсации обратимся к соответствующему аналогу из области неавтоматического управления. Пусть на напряжение генератора (рис. 1-6) влияют некоторые возмущающие воздействия, например изменение тока нагрузки и скорости вращения приводного двигателя. Для осуществления компенсации эти возмущающие

Рис. 1-6. Схема разомкнутой системы (системы компенсации) регулирования напряжения генератора.

Рис. 1-7, Общая схема одномерной автоматической системы компенсации.

воздействия измеряются тахометром Т и амперметром А. Оператор, поворачивая ручку реостата в заранее установленном соответствии с показаниями тахометра и амперметра, обеспечивает компенсацию.

В автоматической системе роль оператора-человека выполняют усилители или другие передающие системы. Общая схема одномерной автоматической системы компенсации изображена на рис. 1-7. Возмущающее воздействие, приложенное к объекту, измеряется специальным измерительным устройством, усиливается, преобразуется, если это необходимо, в корректирующем устройстве и вызывает посредством исполнительного устройства и регулирующего органа Иэбратное (компенсирующее) по отношению к прямому возмущающему воздействию действие на объект. Как видно, в системах компенсации отсутствует замкнутый контур прохождения сигналов — замкнутый контур управления.

В незамкнутых системах отсутствует возможность потери устойчивости — самовозбуждения системы, однако использование корректирующего устройства в ряде случаев необходимо. Дело в том, что реакции регулируемого объекта на возмущающее воздействие, с одной стороны, и на перемещение регулирующего органа (изменение регулирующей величины) — с другой, могут быть различными. Это может иметь место как в установившемся режиме, так и (особенно) в переходных режимах.

Чтобы осуществить компенсацию в этих условиях, необходимо преобразовать сигнал возмущающего воздействия в корректирующем устройстве.

Системы компенсации требуют начальной информации даже более полной, чем обыкновенные системы регулирования по принципу отклонений. Действительно, для компенсации влияния какой-либо возмущающей силы в установившемся и тем более в переходном режимах необходимо точно знать это влияние.

Получение рабочей информации в системах компенсации во многих случаях также сопряжено с большими трудностями. Измерение всех возмущающих сил, как правило, невозможно. Поэтому ограничиваются компенсацией лишь некоторых сил. Системы компенсации имеют частное применение, но используются с давних времен. В качестве примера можно привести температурную компенсацию различных измерительных приборов.

Довольно часто принцип компенсации используется в сочетании с принципом отклонений. Это дает комбинированные системы автоматического регулирования. Идею комбинированной системы автоматического регулирования поясняет схема на рис. 1-в. Помимо основного замкнутого контура регулирования, комбинированная система содержит разомкнутый контур компенсации одного или нескольких основных возмущающих воздействий. Количество рабочей информации, используемой в комбинированной системе, при прочих равных условиях выше, чем в отдельно взятой системе компенсации и системе, работающей по принципу отклонений. Здесь к рабочей информации об отклонении регулируемой величины добавляется информация о возмущающем воздействии. Естественно, что и точность регулирования, достижимая в комбинированных

Рис. 1-8. Схема комбинированной системы автоматического регулирования.

системах, выше точности некомбинированных систем.

Разомкнутые системы программного управления. Эти системы выполняют заданную последовательность действий, не зависящих от получаемого результата. Рабочей информацией в разомкнутых системах программного управления служит информация о последовательности и характеристиках действий, хранящаяся в некотором устройстве.

Если обратиться к аналогу с ручной регулировкой напряжения генератора, то разомкнутое программное управление сведется к повороту ручки реостата по определенному закону во времени без контроля фактических значений напряжения.

Разомкнутые системы программного управления широко распространены, особенно в обрабатывающей промышленности. К ним относятся прежде всего различные автоматические станки и другие циклические автоматы. До недавнего времени использовались почти исключительно автоматические станки, последовательность операций которых обеспечивалась механическими устройствами. Рабочая информация в таких станках хранится в механических устройствах типа программных шайб, кулачков, кинематических передач и зацеплений.

В настоящее время внедряются станки с программным управлением. Информация (программа) хранится в запоминающих устройствах на магнитных барабанах, ферритовых ячейках и т. п. Эта информация в цифровом виде поступает на исполнительные устройства и обеспечивает заданную последовательность и параметры операций обработки.

Уместно отметить, что дальнейший прогресс в автоматизации процессов обработки развивается в направлении внедрения средств автоматического контроля параметров продукции и автоматического воздействия на программы по принципу замкнутого контура.